9 MEKANISKE EGENSKAPER OG TESTING AV DEM (Testing of metals)

Transkript

1 9 MEKANISKE EGENSKAPER OG TESTING AV DEM (Testing of metals) 9.1 Materialegenskaper Vi kan dele materialegenskaper inn i grupper som: Mekaniske egenskaper som er utrykk for materialers reaksjon på ytre krefter som: - Fasthetsegenskaper - Hardhet - Bruddfasthet, flytegrense, utmattingsfasthet - Forlengelse Teknologiske egenskaper som er utrykk for evnen til å la seg forme ved: - Smiing - Støping - Sveising - Avsponing - Trekking Fysikalske egenskaper som er utrykk for evnen til å lede: - Elektrisitet - Varme Kjemiske egenskaper som er utrykk for evnen til å ha: - Korrosjonsbestandighet - Varmebestandighet Materialegenskaper lar seg ikke beregne nøyaktig ut fra kjente strukturdata. Materialegenskaper fastlegges eksperimentelt ved materialprøving. Metodene er ofte standardiserte. Det finnes standarder for: - Utførelse - Dimensjoner - Hvor ta ut prøver Prøveresultatene gjelder kun for prøvestykkene. De egner seg derfor kun for sammenligning. I tillegg til materialprøving etter standardiserte prøvemetoder, kan det også bli utført: - Modellprøving i skala - Fullskalaprøving Prøvemetodene kan deles in i to hovedgrupper: Destruktive metoder Ikke destruktive metoder Ved bruk av destruktive metoder blir prøvene ødelagt eller får merker på overflaten. Ved bruk av de ikke destruktive metodene blir det ingen merker eller ødeleggelse i materialet som testes. Ikke destruktive metoder kalles på engelsk for Non Destructive Testing, NDT. De vanligste prøvemetodene er vist i tabellen på neste side. Copyright 2010 Henning Johansen side 103

2 Destruktive metoder Strekkprøving Trykkprøving Tøyeprøving Hardhetsmåling Utmattingsprøving Sigeprøving Bruddmekanisk prøving Slitasjeprøving Ikke Destruktive metoder Røntgenprøving Ultralydprøving Tetthetsprøving Akustisk emisjon Vi skal se på noen av disse metodene. 9.2 Destruktive prøvemetoder Strekkprøving Strekkprøving er den mest brukte prøvemetode for metalliske materialer. Prinsippet er at vi strekker en prøvestav av bestemte dimensjoner til brudd og måler kraft og forlengelse under prøveforløpet. Strekkingen foregår i en prøvemaskin, som oftest med hydraulisk drift og med så små akselerasjoner at vi kan se bort fra treghetskrefter. Forlengelsen er å oppfatte som den uavhengig variable. Maskinen innstilles slik at den løper med en bestemt hastighet og forårsaker en tilsvarende tøyningshastighet av staven. Strekkraften er den avhengig variable som avleses under forsøket. Figuren på neste side viser en universalprøvemaskin som er konstruert for både strekkprøving, trykkprøving og bøyeprøving. Copyright 2010 Henning Johansen side 104

3 Figur 9.1 Universal strekkprøvemaskin. Copyright 2010 Henning Johansen side 105

4 Hvis vi avsetter strekkraften F, eller spenning R, som funksjon av bevegelsen til innspenningsbakkene, eller forlengelse e av prøvestaven, får vi tegnet opp et diagram som vist i figurene til venstre under. Figuren til høyre viser hva som skjer hvis vi fjerner strekkraften ved forskjellige verdier. Betegnelsene i diagrammet vil bli forklart senere. Figur 9.2 (a) Spenning R - tøyning e - diagram. (b) R - e diagram som forskjellige avlastningskurver. Ved strekkprøving kan følgende egenskaper måles, se figuren over: - Nominell eller konvensjonell spenning - Nominell tøyning - Flytegrense - Konvensjonell flytegrense (0,2 % grense) - Strekkfasthet - Proporsjonalitetsgrense (liten betydning) - Elastisitetsgrense (liten betydning) - Bruddforlengelse - Bruddkontraksjon - Elastisitetsmodul hvor: F = strekkraft [N] S 0 = prøvestavens tverrsnittsareal før strekking [mm 2 ] S = prøvestavens tverrsnittsareal under / etter strekking [mm 2 ] L 0 = prøvestavens lengde før strekking [mm] L = prøvestavens lengde under / etter strekking [mm] L = prøvestavens endring i lengde [ubenevnt] S = prøvestavens endring i tverrsnittsareal [ubenevnt] Copyright 2010 Henning Johansen side 106

5 Flytegrensen R e = F e /S o (yield strength) angir den nominelle spenning (nominell fordi den baserer seg på stavens opprinnelige tverrsnitt S o ) ved hvilken glidning mellom atomplan med høyeste skjærspenning setter inn. Materialet flyter når glidning som forplanter seg fra korn til korn og derved rammer et større volum i staven. For noen materialer, deriblant bløtt stål, fremtrer flytegrensen som et sprang i helningen av tøyning - spenningskurven og lar seg da lett bestemme, se figuren til høyre. De fleste materialer viser et diagram som i høyre del av Figuren. Flytegrensen er den nominelle spenning som gir en endelig forlengelse etter avlastning lik 0,2%. Flytegrensen definert på denne måte kalles ofte den konvensjonelle flytegrense eller 0,2 grensen og angis som R p0,2. Figur 9.3 Spenning - tøyning diagram. For bløtt stål med markert flytegrense R e (til venstre). For de fleste andre materialer med 0,2 grense R 0,2 (til høyre). Strekkfasthet R = R m = F m /S o (tensile strength) er den nominelle spenning ved maksimal last og lar seg uten videre bestemme. Proporsjonalitetsgrensen Ra angir høyeste spenning hvor spenningen er proporsjonal med tøyningen. Elastisitetsgrensen Rb angir høyeste spenning for elastisk strekk. Elastisitetsgrensen ligger alltid lavere enn flytegrensen og proporsjonalitetsgrensen lavere enn elastisitetsgrensen. Begge spenninger er vanskelige å bestemme og brukes bare ved undersøkelser av forskningsmessig karakter. Bruddforlengelse eller relativ bruddforlengelse A = (L u - L o )/L o 100% (elongation). L u er målelengden etter brudd og avlastning, og bruddforlengelsen lar seg bestemme ved lengdemåling alene. Bruddkontraksjon Z = (S o - S u )/S o 100% (reduction of area). S u er det minste tverrsnittsareal av staven etter brudd. Som for bruddforlengelse kan bruddkontraksjon bestemmes ved lengdemåling. Elastisitetsmodulen E = R/e (Young's modulus) er helningen på det rette stykke av spenning - tøyningskurven for spenningsverdier under proporsjonalitetsgrensen. Den er en fysikalsk konstant som bare er avhengig av legeringens sammensetning og ikke av dens struktur, og hører ikke til de kriterier som vanligvis bestemmes ved materialprøving. Copyright 2010 Henning Johansen side 107

6 Prøvestavens dimensjoner Det benyttes standardiserte prøvestaver. Vanlige prøvelengder er: - L 0 = 10 d 0 - L 0 = 5 d 0 Figur 9.4 Prøvestaver for strekkprøving. Prøvelengdene gir samme R e og R m. Den korte staven gir større bruddforlengelse A. Det er derfor viktig å angi stavtype som er testet. Standard angir hastighetsgrenser ved testing. Det viser seg at: - R e øker med hastigheten - R m er lite avhengig av hastigheten Figuren under viser spenning (stress) forlengelses (strain) kurve for en aluminium legering. Figur 9.5 Spenning (stress) forlengelse (strain) kurve for en aluminium legering. Copyright 2010 Henning Johansen side 108

7 Figur 9.6 Typisk spenning - forlengelses kurve frem til brudd i punkt F. Bruddfastheten TS, R m, er indikert punkt M. Sirklene viser prøvestavens geometri på forskjellige steder langs kurven. Figur 9.7 (a) Seigt brudd i aluminium. (b) Sprøtt brudd i vanlig konstruksjonsstål. Copyright 2010 Henning Johansen side 109

8 Flytekurve Vi skiller mellom nominell (eller konvensjonell) spenning og tøyning, og sann spenning og tøyning. I nominell spenning benytter vi opprinnelig tverrsnittsareal, og i nominell tøyning benytter vi opprinnelig målelengde ved beregning. I sann spenning benytter vi virkelig tverrsnittsareal, og i sann tøyning benytter vi virkelig lengde ved beregning. Kurven for sann spenning - sann tøyning betegnes flytekurve. Spenning Sann spenning: Nominell spenning: I det elastiske området er σ R I det plastiske området er prøvestavens volum konstant, derfor S 0 L 0 = S L Sann spenning kan derfor skrives som: hvor e = nominell tøyning Det har også vist seg at sann spenning kan skrives som: hvor: ε k og n = sann tøyning = materialkonstanter eksempler: - vanlig konstruksjonsstål k = 530MP og n = 0,26 - aluminium (glødet) k = 180MP og n = 0,20 Disse to ligningene for sann spenning gjelder kun i det plastiske området opp til maksimal last, der hvor kontraksjonen starter. I dette området skjer det en jevnt fordelt tøyning i prøvestaven. Tøyning Sann tøyning: Nominell tøyning: I det elastiske området er ε e I det plastiske området kan sann tøyning skrives som: Denne ligningen gjelder kun i det plastiske området opp til maksimal last, der hvor kontraksjonen starter. I dette området skjer det en jevnt fordelt tøyning i prøvestaven. Copyright 2010 Henning Johansen side 110

9 Når lastmaksimum er passert og kontraksjonen begynner, er volumet konstant i den kontraherte sone, der S 0 L 0 = S L som vist i figuren til venstre. Dette gjelder frem til prøvestaven går til brudd. Figur 9.8 Tøyning spenningsdiagram for bløtt stål. Både nominell og sanne størrelser er inntegnet. Figur 9.9 Ved plastisk tøyning er volumet konstant. I den kontraherte sone gjelder S 0 l 0 = S l Copyright 2010 Henning Johansen side 111

10 ε omkring bruddstedet uttrykker maksimal deformasjonsgrad som har interesse ved plastisk tilvirkning. I punktet hvor kontraksjonen starter kan det vises at ε = n (konstanten) i ligningen σ = k ε n. Dette punktet kalles kritisk tøyning. Tøyningen må ikke overskride denne verdien ved bruk av prosesser som for eksempel dyptrekking og strekkforming. Figur 9.10 Tøyning spenningsdiagram for bløtt stål. Sann tøyning og sann spenning i en strekkstav. Spenningen øker etter funksjonen σ = k ε n inntil maksimal last. Deretter er den proporsjonal med tøyningen inntil brudd. Copyright 2010 Henning Johansen side 112

11 9.2.2 Trykkprøving Trykkprøving benyttes for testing av sprø materialer som: - betong - glass - støpejern - tre Trykkprøving benyttes også ved prøving av duktile (seige) materialer i forbindelse med formeprosesser som valsing og smiing. Ved trykkprøving kan følgende egenskaper måles: - Flytegrense - Konvensjonell flytegrense - Trykkfasthet - for sprø materialer er F m = største trykkraft - for seige materialer er F m = trykkraft når første sprekk oppstår (vanligvis ikke brudd) - Bruddsammentrykning - for sprø materialer er L u = lengde ved brudd - for seige materialer er L u = lengde ved første sprekk - Proporsjonalitetsgrense (ingen praktisk betydning) - Elastisitetsgrense (ingen praktisk betydning) - Elastisitetsmodul - for krystallinske materialer er E trykk E strekk - for ikke krystallinske materialer er E trykk E strekk (vanligvis) Prøvestavene er standardisert. De er korte og tykke for å hindre utknekking (figur (b) under). I duktile materialer vil: - flytegrense i trykk flytegrense i strekk - prøvestykket innta en tønneform - det vanligvis ikke opptre brudd, men prøven sprekker radielt langs kantene. Figur 9.11 Spenning Tøyning diagram i trykk for støpejern, stål og sink. Ved belastning mellom to plane trykkplater inntar prøvestykket en tønneform. Copyright 2010 Henning Johansen side 113

12 Sprø materialer har liten evne til plastisk deformasjon. De oppfører seg derfor i det store og hele elastisk. De er ikke følsomme for skår (sprekker) under trykkbelastning som de er under strekkbelastning. Skår i form av indre sprekker eller overflateriss er alltid til stede i tekniske materialer, og sprø materialer er derfor sterkere i trykk enn i strekk. Figuren under viser at styrken av glass i trykk er 10 ganger styrken i strekk, og i støpejern er forholdet omtrent som 3 til 1. Figur 9.12 Tøyning spenningsdiagram i trykk for glass og støpejern. Glass er elastisk både i trykk og strekk, mens støpejern er plastisk og mest i trykk. Brudd i trykk oppstår først når skjærspenningene blir store nok over hele tverrsnittet og følger da flatene for maksimal skjærspenning (i 45 0 ). Figur 9.13 Brudd i tre, grått støpejern og betong utsatt for trykk i en retning (vertikalt). Bruddet følger flatene med maksimal skjærspenning som danner en vinkel på 45 0 med kraftretningen. Copyright 2010 Henning Johansen side 114

13 9.2.3 Hardhetsprøving Hardhet kan defineres som motstand mot plastisk deformasjon. De vanligste prøvemetodene er: Brinell HB (Hardhet Brinell) En herdet stålkule med standardisert diameter D presses inn i prøvestykke med en standardisert kraft F. Diameter d på merket, kulekalott, i prøve måles. Hardhetstall: hvor h = inntregningsdybden Figur 9.14 Brinell hardhet test. Metoden gir reproduserbare verdier bare for en bestemt kraft F og diameter D. Tilnærmet reproduserbarhet kan oppnås ved ulike belastninger når forholdet d/d er konstant. Dette tilsvarer til at F/D 2 konstant. Hvickershardhet HV (Hardhet Vickers) En diamantpyramide med spissvinkel presses inn i prøvestykke med en standardisert kraft F. Diagonalene d 1 og d 2 i prøve måles. Midlere verdi d = (d 1 + d 2 )/2 beregnes. Hardhetstall: Figur 9.15 Vickers hardhet test. HV HB opp til verdier på ca. 400 for stål og noen ikke jern materialer. Metoden er reproduserbar uavhengig av last. Copyright 2010 Henning Johansen side 115

14 Rockwell hardhet HR (Hardhet Rockwell) Med denne metoden måler vi inntregningsdybde. Det settes på en forbelastning F 0 for å sikre en utgangsflate for målingen. Deretter pålegges en tilleggslast F 1 og dybden e måles. Det finnes flere HR-metoder. De vanligste er: - Rockwell B, HRB (Ball) : Her benytter vi en herdet stålkule med diameter 1/16 som presses ned i prøven. Egner seg til bløte materialer. - Rockwell C, HRC (Cone) : Her benytter vi en diamantkonus med spissvinkel som presses ned i prøven. Egner seg til harde materialer. Figur 9.16 Teknikker for hardhetsmåling. Vekt P har benevning kg og d, d 1 og D har mm. Teknikken for Knoop (nup)benyttes på sprø materialer som keramikk. HR øker med HB, men de er ikke proporsjonale. Figur 9.17 Kurver for omregning av hardhetsverdier. Gjelder for ulegert og lavlegert stål. Copyright 2010 Henning Johansen side 116

15 9.2.4 Utmattingsprøving Hvis et materiale utsettes for periodisk varierende spenning over tid av tilstrekkelig størrelse, vil det foregå forandringer i materialet. Denne forandringen vil resultere i sprekker og ofte brudd. De nødvendige spenningene ligger under materialets strekkfasthet, og også ofte under flytegrensen. Brudd skjer uten forutgående varsel i form av plastisk tøyning og kontraksjon. Bruddet starter ofte fra en feil eller ujevnhet i overflaten. Det brer seg herfra i konsentriske sirkler. Tverrsnittet reduseres og til slutt oppstår et plastisk restbrudd som skyldes overbelastning. Fenomenet utmatting er ikke begrenset til metaller, det opptrer i Figur 9.18 Utmattingsbrudd i tannhjul og aksel. Bruddet starter fra en feil i overflaten og brer seg i tilnærmet konsentriske sirkler, tilsynelatende uten plastisk deformasjon av bruddkantene. Restbruddet er plastisk og rent, uten korrosjon. nesten alle faste materialer inkludert levende ben. Glass danner en viktig unntakelse. Mekanismen ved utmatting Ved utmatning oppstår det sprekker og senere brudd ved spenninger godt under flytegrensen til vedkommende materiale. Hvordan er dette mulig? Anta et aggregat av krystaller som skjematisk vist i figuren til høyre. Aggregatet, materialet, er belastet i σ - retningen. Det kan vises at maksimal skjærspenning opptrer i 45 0 i forhold til retningen til normalspenningen σ. I forhold til retningen av maksimal skjærspenning τ max er krystallene forskjellig orientert, og bare krystall A har en glideretning som faller sammen med maksimal skjærspenning. Ved en bestemt størrelse på τ max glir derfor enkelte plan i A, mens de øvrige krystaller bare blir utsatt for elastisk deformasjon. Volumet av A er lite i forhold til hele aggregatet av krystaller, og i et spenning - tøyning diagram kan vi ikke se merkbar plastisk tøyning. Figur 9.19 Aggregat av krystaller med ulik orientering av glideplan. I krystall A er glideretningen parallell med maksimal skjærspenning τmax. Copyright 2010 Henning Johansen side 117

16 Hvis skjærspenningen skifter retning, får vi glidning i A i motsatt retning, mens de øvrige krystaller fortsatt oppfører seg elastisk. Vi antar at deformasjonen i A er liten og ikke forårsaker fastning. Forholdene kan illustreres i σ - ε diagrammet i figuren til høyre. Krystallaggregatet strekkes elastisk til en spenning σ 1, noe under flytegrensen R e, som gir en elastisk tøyning ε 1. Krystall A flyter allerede ved σ 2 og blir utsatt for en samlet plastisk og elastisk tøyning lik ε 1. Hvis spenningen σ 1 skifter retning til - σ 1, figur (b), forandres den elastiske tøyning i aggregatet fra ε 1 til -ε 1. Figur 9.20 (a) Krystallaggregatet i forrige figur strekkes elastisk til spenningen σ 1. Krystall A flyter allerede ved σ 2, og en stor del av tøyningen ε 1 er plastisk. (b) Skifter spennigen til - σ 1, aggregatet utsettes for en elastisk tøyning fra ε 1 til -ε 1. I krystall A er tøyningsforandringen like stor, men den har både en elastisk og plastisk komponent. I krystall A er tøyningsforandringen like stor, men den er både elastisk og plastisk. Altså, hvis krystallaggregatet belastes med en spenning som svinger mellom verdiene + σ 1 og - σ 1, oppstår for hver periode en plastisk forlengelse og sammentrykning i krystall A, selv om σ 1 er lavere enn flytegrensen. Antar vi at hver glidning forårsaker en liten, men endelig uorden i nærliggende glideplan, må denne uorden øke med antall spenningsperioder. Resultatet blir en mindre sammenpakket struktur med svakere bindekrefter mellom atomene og til slutt en separasjon av atomplan. Når dette først har skjedd, bevirker feilstedene spenningskonsentrasjoner, hvorved glidning også kan komme i gang i nabokrystaller med en orientering som er mindre gunstig for glidning. Feilstedene utvikler seg til sprekker som forener seg med andre sprekker oppstått på samme måte som i A. Sprekkens hovedretning er loddrett på normalspenningen σ. I praksis skjer også sprekkinitieringen, her den begynnende sprekk i A, under medvirkning av spenningskonsentrasjoner. De kan skyldes konstruktive svakheter som skarpe hulkiler eller gjenger, overflateriss, slagginneslutninger, sveisefeil med flere. Copyright 2010 Henning Johansen side 118

17 Viktige faktorer som er medbestemmende for utmattingsfastheten til et materiale: - Spenningskonsentrasjoner - Spenningsnivå - Overflatebeskaffenhet - Kjervfølsomhet - Temperatur - Korrosjonsforhold - Belastningsart Utmattingsfastheten bestemmes eksperimentelt ved prøving av serier med prøvestaver. Spenningsvariasjoner ved utmattingsprøving kan foregå på forskjellig vis. Vi definerer spenningsvariasjoner som følger: - Symmetrisk vekslende : Prøven blir utsatt for like store strekk- som trykkspenninger. σ maks = σ min og σ m = 0 (σ m = σ middel ), se figur a under. - Utsvingende : Prøven blir utsatt for spenninger bare i strekk eller bare i trykk hvor den ene grensespenningen er 0. - For utsvingende strekk er σ min = 0, σ m = 1/2 σ maks, se figur b - For utsvingende trykk er σ maks = 0, σ m = 1/2 σ min, se figur d - Pulserende : Prøven blir utsatt for bare strekkspenninger(figur c), pulserende strekk, eller bare trykkspenninger (figur e), pulserende trykk. Figur 9.21 Spenningsvariasjoner som funksjon av tiden ved utmattingsprøving. a. symmetrisk vekslende σ maks = σ min og σ m = 0 b. utsvingende strekk σ min = 0 og σ m = 1/2 σ maks c. pulserende strekk d. utsvingende trykk σ maks = 0 og σ m = 1/2 σ min e. pulserende trykk Copyright 2010 Henning Johansen side 119

18 Figuren under viser en prinsippskisse for en bøyeutmattingsmaskin. Når maskinen er i gang, fremkaller kraften F et roterende bøyemoment i prøvestaven som gjør at spenningene varierer. Figur 9.22 Prinsippskisse for en bøyeutmattingsmaskin. Når maskinen er i gang, fremkaller kraften F et roterende bøyemoment i prøvestaven. Utmattingsdiagram (Wöhlerdiagram, S-N diagram) Resultatene fra utmattingstester registreres i et diagram med maksimal spenning S (σ maks ) angitt langs vertikalaksen og levetiden N angitt som antall lastvariasjoner (-vekslinger) til brudd langs horisontal-aksen. Et sett med prøvestaver av et bestemt materiale testes med varierende belastning med forskjellig maksimal spenning. Resultatene registres i et utmattingsdiagram. Figur 9.23 S-N diagram for bløtt stål og en aluminiumlegering. (S = maksimal spenning og N = antall last-veksler/cykler.) Kurven for bløtt stål flater ut ved ca. 270MPa og 10 6 lastveksler. Dette er stålets utmattingsgrense. De fleste andre legeringer har ikke en utmattingsgrense, for eksempel aluminiumlegeringer. Figuren over viser utmattingsdiagrammer for et bløtt stål og en aluminiumslegering, begge utsatt for symmetrisk vekslende spenning, σ m = 0. Disse diagrammene er også kalt Wöhlerdiagram eller S-N diagram. Utmattingsgrense, σ D Som vist i figuren, flater kurven for bløtt stål ut ved ca. 270MPa og 10 6 lastveksler. Dette er stålets utmattingsgrense. Copyright 2010 Henning Johansen side 120

19 Hvis materialet (prøvestavene) utsettes for lavere spenninger enn denne vil ikke brudd inntreffe uansett antall lastvariasjoner. Som det fremgår av figuren vil aluminium, og også andre materialer med kubisk flatesentrert gitterstruktur, ikke oppvise en utmattingsgrense. Figuren til høyre viser utmattingsdiagrammer for et seigherdingsstål ved forskjellige middelspenninger σ m. Utmatningsfastheten for et bestemt antall perioder, ofte 10 6 lastveksler, kan overføres til et diagram som vi kaller Smith - diagram, se figuren under til høyre. Figur 9.24 S-N diagram for et seigherdingsstål ved forskjellige middelspenninger σ m. I dette diagrammet vises maksimal spenning σ Nmaks og minimum spenning σ Nmin som funksjon av middelspenningen σ m. Middelspenningen angis på strek - punkt linjen som går i 45 0 igjennom origo i diagrammet. Dette diagrammet vil ikke bli behandlet her. Figur 9.25 Smith - diagram som viser utmattingsfastheten som funksjon av middelspenningene σ m for et bestemt antall lastvekslinger. lastveksler. Punktene på σ maks kurven er inntegnet etter S - N kurvene i forrige figur ved Copyright 2010 Henning Johansen side 121

20 9.2.5 Sigeprøving Når et materiale belastes ved strekkprøving, forlenges det nesten øyeblikkelig. Forlengelsen kan være elastisk eller elastisk og plastisk, avhengig av spenningen. Materialet i denne tilstand ikke stabilt, det skapes en tendens hos materialet til varig å fri seg fra spenningene, altså til å forlenge seg. Når temperaturen er lav i forhold til smeltepunktet, utløser ikke denne tendens noen merkbar reaksjon i krystallinske materialer. Vi kan derfor uttrykke tøyningen ε som en funksjon av spenningen σ alene: Mange deformasjonsmekanismer er betinget av termisk aktivering. Ved lav temperatur er de så sjeldne at vi kan neglisjere dem. Men de gjør seg sterkere og sterkere gjeldende når temperaturen øker, og vi regner at den enkle ε - σ relasjonen ikke lenger er brukbar når temperaturen nærmer seg 30-40% av smeltetemperaturen. (For rene metaller og absolutt temperatur). Vi må da sette at: hvor: T = temperaturen t = tiden Fenomenet tids - og temperaturavhengig deformasjon kalles siging. Siging brukes også om den relative lengdeendring som er et resultat av prosessen. Siging er aktuelt i høytemperaturkonstruksjoner som kjeler, motorer, damp- og gassturbiner. Amorfe materialer, f.eks. plaster, siger merkbart allerede ved normal temperatur, hvilket regnes som en av deres alvorligste svakheter. Figur 9.26 Sigeprøving av metaller. Skjematisk. Copyright 2010 Henning Johansen side 122

21 Sigekurver, betegnelser og symboler Sigeprøving gjennomføres som strekkprøving med konstant last og temperatur. Ved sigetøyningsprøving måles tøyningen som funksjon av tiden. Ellers benyttes sigebruddprøving, der vi måler tiden til brudd inntrer. Forløpet av et sigeforsøk fremgår av sigekurven der tiden t er abscisse og tøyningen ε er ordinat. hvor: L o L = opprinnelig malelengde, avstand mellom målestrekene før prøving og målt ved aktuell prøvetemperatur = avstand mellom målestrekene under belastning Ved en viss minste temperatur gir et sett forskjellige belastninger en kurveskare som i figuren under. Figur 9.27 Sigekurven viser tøyningen som funksjon av tiden ved konstant last og temperatur. Kurveskaren ovenfor fremkommer ved å gi lasten forskjellige verdier. σ er nominell spenning = F/S o. Copyright 2010 Henning Johansen side 123

22 Det prinsipielle forløp av kurven merket σ 3 i forrige figur er vist i figuren under. Figur 9.28 Tre stadier ved siging: 1. primærsiging med avtagende sigehastighet, 2. sekundærsiging med konstant og 3. tertiærsiging med økende hastighet. Vi kan skjelne mellom tre stadier: 1. sigetrinn med avtagende sigehastighet 2. sigetrinn med konstant hastighet 3. sigetrinn med økende hastighet Ved sigetøyningsprøving er vi ikke interessert i trinn 3. Prøvingen gjennomføres da i løpet av timer og ved så lav spenning at trinn 3 ikke registreres innenfor prøveperioden. Sigebruddprøving er gjennomgående en korttidsprøving som sjelden varer lenger enn 1000 timer. Her registrerer vi tiden til brudd inntrer sammen med bruddtøyningen. Følgende betegnelser gjelder for sigeprøving: - Sigehastighet er helningen på sigekurven dε/dt. - Minimal sigehastighet er den konstante sigehastighet i 2. sigetrinn. - Sigehastighetsgrense eller sigefasthet (creep strength) er den nominelle spenning som ved en bestemt temperatur forårsaker en gitt minimal sigehastighet, vanligvis 10-3 eller 10-4 %/time. Ofte angis tøyning og forsøkstid i stedet for sigehastighet. - Sigebruddfasthet (creep rupture strength) er den nominelle spenning som ved en bestemt temperatur forårsaker brudd etter en bestemt prøvetid, vanligvis 100 eller 1000 timer. I de fleste praktiske anvendelser kan vi ikke gjøre bruk av stadium 3 siden sigehastigheten er for stor. Størstedelen av materialets nyttige liv ligger i stadium 2, hvor sigehastigheten er konstant. De fleste sigeprøvinger gjelder derfor bestemmelse av sigehastighetsgrensen. Sigebruddfastheten kan vanskelig brukes som dimensjoneringskriterium, men er en nyttig størrelse for sammenligning mellom temperaturresistente materialer. Copyright 2010 Henning Johansen side 124

23 Sigefaste materialer Materialer som er motstandsdyktige mot høye temperaturer, blir stadig viktigere i moderne kraftmaskiner, romfartøyer og kjemisk industri. Det er stor virksomhet i gang for å utvikle sigefaste materialer. Disse er karakterisert ved at dislokasjonsbevegelse ved høy temperatur er vanskeliggjort på forskjellige måter. De mest temperaturbestandige legeringene er de som har kubisk flatesentrert gitterstruktur og de som har basismetall med høyt smeltepunkt. Metall Tilnærmet sigetemperatur [ 0 C] Aluminium legeringer 200 Titan legeringer 325 lav legert stål 375 høy temperature stål 550 Nikkel og kobolt superlegeringer 650 tungtsmeltelige metaller (wolfram, molybden) Tabell 9.1 Tilnærmet temperatur hvor siging blir tydelig for noen metaller og legeringer Skårslagprøving Figuren til høyre viser sann flytespenning σ F, sann bruddspenning σ B og sann bruddforlengelse ε B som funksjon av prøvetemperaturen for ulegert stål i et område fra 293 K og nedover. Det er benyttet glatte strekkstaver og alminnelige prøvebetingelser. Vi ser at både σ F og σ B stiger ved fallende temperatur, men at de løper sammen ved en temperatur T D som kan være omkring -l50 0 C. Over T S får vi et seigt brudd med stor brudd forlengelse ε B. Under T D har bruddet skiftet karakter, det er sprøtt og uten brudd forlengelse. Figur 9.29 Sann flytespenning σ F, sann bruddspenning σ B og sann bruddforlengelse ε B som funksjon av prøvetemperaturen for ulegert stål. T = 293K (20 0 C), T D =123K ( C). Under T D oppstår kløvningsbrudd, over T S skjærbrudd og i mellom blandet brudd. Copyright 2010 Henning Johansen side 125

24 Nærmere undersøkelse av bruddflaten viser at brudd over T S er skjærbrudd, altså duktilt brudd bevirket av skjærspenninger. Brudd under T D er overveiende kløvingsbrudd og oppstår ved at normalspenningene river to atomplan fra hverandre. Mellom T S og T D får vi et blandet brudd. Materialer som stål og andre metaller med kubisk romsentrert gitterstruktur vil være utsatt for sprøbrudd ved lave temperaturer. Materialer med kubisk flatesentrert gitterstruktur, som aluminium og kobber, er ikke utsatt for sprøbruddfare som stål. Ved skårslagprøving ser vi på virkningen av: - lav temperatur akset spenningstilstand - høy belastningshastighet 3 - akset spenningstilstand Figuren til venstre viser et eksempel på en konstruksjonsdetalj, en kloss med kjerv (vsporet til venstre). Selv om vi belaster denne klossen i kun en retning, her i y-retning, vil det oppstå spenninger i 3 retninger. Materialet til venstre for snittet ved v-sporet tar ikke opp belastning og vil ikke deformeres. Materialet til høyre for v-sporet deformeres og tar opp hele belastningen. Det oppstår spenninger i x, y og z retning. Hvordan spenningene σ x, σ y og σ z, målt midt i klossen ved t/2, fordeler seg over tverrsnittet er vist i figuren. Figur 9.31 Prøvestav med skår, kjerv. Belastning i bare Y-retning forårsaker en 3 - akset spenningstilstand med spenninger i x, y og z retningen. Figuren på neste side viser skjematikk hvordan skårslagprøving utføres i praksis. Copyright 2010 Henning Johansen side 126

25 En kort stav med tverrsnitt 10 x l0mm, forsynt med et skarpt skår av bestemt form og dimensjon, slås av med et enkelt slag av en pendelhammer. Slagarbeidet, vanligvis kalt slagseigheten, måles som differansen mellom pendelens kinetiske energi før og etter slaget og angis vanligvis i Joule. Charpy-staven som er vist i figuren til høyre, er brukt over hele verden i dag. Det finnes også andre prøvestaver (eks. Izod) og prøvemetoder. Slagseigheten er et uttrykk for materialets evne til, under slagbelastning, under nærvær av et skår og ved en bestemt temperatur å oppta mekanisk arbeid. Belastningshastigheten er her av mindre betydning, og erfaring har vist at slagseigheten generelt sett er et uttrykk for materialets kapasitet til, ved en bestemt temperatur og under medvirkning av en kjerv, å motstå kløvingsbrudd, ofte kalt sprøbrudd. Figur 9.30 (a) Prøvestaver benyttet for Charpy V test (mest benyttet). (b) Skjematisk vist apparat for testing av slagseighet. Plassering av Charpy V- og Izod-prøver er vist. Pendelhammeren utløses fra en bestemt høyde h og slår av prøvestaven. Slagenergien for brudd er forskjellen i stillingsenergi mellom h og høyden ved utsvingning h. Vi måler altså slagarbeidet, slagseigheten, som differansen i Kinetisk energi før og etter slaget. Slagseighet er materialets evne til å motstå sprøbrudd (kløvningsbrudd) ved en bestemt temperatur og under medvirkning av kjerv. Copyright 2010 Henning Johansen side 127

26 Omslagskurver Et mer fullstendig bilde av sprøbruddtendensen får vi ved å bestemme skårslagseigheten over et temperaturintervall, se figuren under. Omslagskurver som vi får tegnet opp ved prøvingen er nyttige i forskningen når vi undersøker betydningen av legeringselementer, varmebehandling m.v. Omslagstemperaturen er et uttrykk for materialets overgang fra å være seigt til å bli sprøtt. Den er definert som temperaturen ved et slagarbeid på 27,5 J, se figuren under. Figur 9.32 Slagseigheten er avhengig av prøvetemperaturen ved overgang fra skjærbrudd til kløvningsbrudd. Omslagstemperaturen er temperaturen ved slagseighet på 27,5J. Kurvene gjelder for bløtt stål Det vises også hvordan fin ferrittstruktur senker omslagstemperaturen. Materialer med kubisk flatesentrert gitterstruktur, som aluminium og kobber, har ikke omslagstemperatur da de ikke er utsatt for sprøbruddfare som stål. Kurver for disse materialene ville vært tilnærmet horisontale i diagrammet over uavhengig av temperaturen. 9.3 Ikke - destruktive prøvemetoder Ikke-destruktive prøvemetoder tillater en undersøkelse av et prøvestykke uten at det samtidig blir ødelagt. Prøvestykket gjennomgår ingen forandring. Disse metodene har derfor stor interesse da de kan brukes på ferdige arbeidsstykker, i motsetning til de destruktive prøvemetodene. Et felles trekk for alle metodene er at de ikke gir noen tallmessig vurdering av den mekaniske svekkelse en diskontinuitet har i et materiale. Copyright 2010 Henning Johansen side 128

27 9.3.1 Røntgenundersøkelse Hvis vi for eksempel bruker røntgenundersøkelse på en støpt gjenstand, får vi et plant bilde av utvendige konturer og innvendige hulrom. Bilde gir oss ikke noe svar på om hulrommet svekker styrken i støpestykket, og i tilfelle hvor mye? Dette er naturligvis en alvorlig innvending mot metoden. Vi er stadig usikre på hvordan resultatene av ikke-destruktiv prøving skal tolkes. Røntgenstråler er elektromagnetiske bølger av liten bølgelengde. Ved teknisk diagnostisering benyttes et spektrum på 0,01-1Å. (1Å = m, Ångstrøm) Strålene oppfattes som sammensatt av individuelle bølgetog kalt fotoner. Røntgenfotoner oppstår når elektroner av høy hastighet treffer wolframanoden i et røntgenrør, se figuren til høyre. Figur 9.33 Prinsippskisse av et røntgenrør. Når elektroner av høy hastighet treffer wolfram anoden, sender den ut røntgenfotoner. I neste figur, kan du se prinsippet for røntgenundersøkelse av en sveiseforbindelse. Strålene treffer platen på oversiden og går så gjennom plate og sveis. Videre går den gjennom en fotografisk film plassert under platen. Filmen svertes av strålene og sterkere jo større strålestyrken er. Sveisen har en rotfeil med dybde q. Materialet i feilen som kan bestå av gasser og/eller metalloksider, svekker strålene mindre enn metallet omkring. Derfor tegnes rotfeilens konturer som en mørk stripe på Figur 9.34 filmen. Røntgenfotografering av en sveiseforbindelse. etter å ha passert sveisen, er strålene B sterkere enn strilene A, siden rotfeilen q gir mindre motstand enn det homogene materialet. B strålene sverter derfor filmen sterkere enn A strilene. Copyright 2010 Henning Johansen side 129

28 Røntgenbilledet av en virkelig sveis er vist i neste figur, og vi ser rotfeil, slagg og porer. Figur 9.35 Røntgenbilde av en buttsveis i 10mm stålplate utført i vertikalstilling. Vi ser slagg og gassporer, sammenlign makrofotografiene av de to snitt 3A og 3B. Sveisen har fått karakter 3 i 11W røntgenatlas. For å lette tolkningen av røntgenbilleder av sveiser og støpestykker, er det utarbeidet referansefilm. International Institute of Welding (IIW) har utgitt "Collection of Reference Radiographs of Welds", som er en samling film av sveiseforbindelser hvor de er klassifisert i 5 grupper etter mengde og antatt farlighet av feil. Sveisefeil fører til lokale spenningskonsentrasjoner som er alvorligere ved dynamisk enn ved statisk belastning. Videre kan sveisefeil innlede sprøbrudd når betingelsene forøvrig er tilstede Ultralydundersøkelse Ultralyd er mekaniske svingninger med høyere enn hørbar frekvens, dvs. høyere enn Hz. Ved materialundersøkelse bruker vi frekvenser av størrelsesorden 1MHz. Materialundersøkelse med ultralyd kan gjøres på flere måter. Det vanligste er impulsekkosystemet. Copyright 2010 Henning Johansen side 130

29 Impulsekkosystemet En piezoelektrisk krystall K som kan være av blymetaniobat PbNb eller bariumtitanat BaTi0 3 og med diameter omtrent 20mm, trykkes mot arbeidsstykket som skal undersøkes. Se figuren til høyre. Krystallets to endeflater er metallbelagt og tilkoblet vekselspenningsgenerator G. Krystallet vil da utvides og sammentrekkes i takt med vekselspenningen, og sender mekaniske longitudinalsvingninger inn i platen. Det kan vises at slike høyfrekvente svingninger forplanter seg som en stråle med få graders divergens og med en konstant hastighet: Figur 9.36 Prinsipp for ultralydundersøkelse etter impulsekko metoden. Situasjon 1: Krystallet K sender en elastisk svingning inn i platen samtidig som tidspunktet markeres med en tilsvarende svingning på oscilloskopskjermen A. Situasjon 2: Etter å være blitt reflektert fra platens nedre overflate treffer svingningen krystallet og genererer en elektrisk svingning som avtegnes på skjermen. Tiden mellom de to svingninger kan beregnes av avstanden x-y og er et uttrykk for platetykkelsen d. hvor: E = elastisitetsmodul [N/m 2 ] q = tetthet [kg/m 3 ] For de fleste metaller ligger hastigheten v i området m/s. Forplantningshastigheten for mekaniske svingninger er altså en materialkonstant. Generatoren lager korte spenningstog, hver på noen få svingninger. Tilsvarende sender krystallet ut elastiske bølgetog. Et tog kan ha en varighet på s, og tiden mellom hvert tog kan være s, altså tusen ganger lenger enn hvert tog. I situasjon 1 i figuren over, forplanter et bølgetog p seg gjennom platen loddrett på krystallflaten. Samtidig blir det tegnet inn på oscilloskopskjermen A av elektronstrålen e idet krystallets metallbelagte flater er forbundet med det horisontale platesett på oscilloskopet. Etter en kort tid treffer toget nedre overflate av platen. Hvorfra kastes det tilbake og fortsetter til krystallet, situasjon 2. Når det treffer krystallet, har det vært underveis en tid t = 2d/v. I løpet av denne tiden blir generatoren G frakoblet krystallet. Det fungerer nå som en mottaker og genererer en elektrisk spenningspuls når det treffes av bølgetoget. Elektronstrålen, som i mellomtiden har beveget seg med en konstant hastig fra x til y, lager et nytt utslag på skjermen. Disse hendelser repeteres med ny bølgetog hvert s. slik at billedet på skjermen blir stående. Copyright 2010 Henning Johansen side 131

30 Avstanden x - y er et direkte mål for den dobbelte platetykkelse 2d og dermed også for d. Systemet kan altså benyttes til å måle platetykkelse fra den ene overflate av platen og brukes f.eks. til korrosjonsundersøkelse av plater i skip, lagertanker og rørledninger. Systemet kan også brukes til å finne feil i platen. I figur (a) til høyre, er B en lamelldannelse som skyldes mangelfull sammensveising av et gasshull (pore) i en valseblokk. Lamelldannelsen vises på skjermen som et utslag z. På tilsvarende måte kan vi registrere gasshull, slagg og sugninger i stålstøpegods og stålblokker. Figur 9.37 (a) Lamelldannelse i en plate kan påvises som et ekko z mellom startekkoet x og bunnekkoet y. (b) En sveiseforbindelse kan undersøkes v.h.a. et vinkelhode, bygget opp av krystallet K og plastskoen D. Ved sveiseundersøkelser, se eksempel i figur (b) over, monteres krystallet K på en sko av akrylplast D. Ved overgang til stålplaten brytes lydstrålen bort fra innfallsloddet, siden lydhastigheten er større i stål enn i akryl. Strålen reflekteres fra sprekken S. Deler av strålen reflekteres tilbake samme vei som primærstrålen og registreres av krystallet som forklart foran. Ultralyd- og røntgenundersøkelse benyttes i dag på et stort antall arbeidsoppgaver i verkstedindustrien. Ved røntgenundersøkelse er platetykkelsen begrenset til omtrent 100mm. En tilsvarende begrensning har vi ikke for ultralyd, som derfor har sitt spesielle felt på store arbeidsstykker. Ultralyd er ellers bedre egnet enn røntgen til å påvise to-dimensjonale feil, for eksempel sprekker som i figuren over. Copyright 2010 Henning Johansen side 132

31 9.3.3 Magnetpulverundersøkelse Anta en overflatesprekk S, som vist i figur (a) til høyre, i en stålplate. I sprekken er den magnetiske permeabiliteten mye mindre enn i platen forøvrig. Innføres det et magnetisk Figur 9.38 felt på tvers av sprekken, (a) Ved magnetpulverundersøkelse bevirker en sprekk i overflaten oppstår det her en lokal en lokal feltøkning som gjøres synlig ved overspyling av feltøkning som kan gjøres magnetisk pulver oppslemmet i vann ener parafin. synlig med magnetisk (b) Platen kan magnetiseres ved at det sendes strøm gjennom den i pulver. sprekkens retning. Vi benytter vanligvis magnetitt oppslemmet i vann eller parafin som spyles forsiktig over overflaten. Sprekken tegner seg da som en skarp strek ved at pulveret holdes fast av magnetfeltet. Magnetisering av arbeidsstykket kan skje på flere måter. Det kan spennes opp mellom polene på en elektromagnet og dette blir ofte benyttet for maskin- og motordeler av begrensede dimensjoner. Vi kan også sende en strøm gjennom arbeidsstykket på langs av sprekken, se figur (b) over. Strømmen oppretter et magnetfelt loddrett på strømretningen, altså på tvers av sprekken. Både vekselstrøm og likestrøm kan benyttes til magnetisering. Metoden er veldig følsom for overflatesprekker og den krever lite utstyr. Den benyttes i stor utstrekning til påvisning av feil i verktøy, motordeler og støpt rågods av magnetiske materialer. Copyright 2010 Henning Johansen side 133

32 9.3.4 Strekkundersøkelse med inntrengende væske Med denne metoden kan vi finne overflatesprekker i for eksempel plater. Vi benytter en olje som flyter lett. Denne oljen trekker inn i sprekkene på overflaten og blir der når overflaten etterpå vaskes ren med et oljeløsende middel. Vi stryker så overflaten med oppslemmet kritt eller lignende. Vi lar slemmingsvæsken fordampe, oljen trekkes opp i krittlaget og sprekken blir synlig. Oljen er tilsatt et kraftig stoff. Den kan også inneholde et stoff som fluoriserer ved bestråling med ultralett lys. I siste tilfelle må undersøkelsen foregå i mørke. Metoden er følsom, krever lite utstyr og er brukbar både for jern og ikke-jern metaller. På ujevne overflater, for eksempel på støpegods kan det oppstå problemer. Oljen henger seg lett fast i ujevnhetene, og vi risikerer å tolke dem som sprekker. På tynne plater kan metoden brukes til å undersøke om beholdere er væsketette. Oljen strykes da på den ene siden av platen og i rikelige mengder, krittvellingen på den andre. Copyright 2010 Henning Johansen side 134